Известия Саратовского университета.

Новая серия. Серия Физика

ISSN 1817-3020 (Print)
ISSN 2542-193X (Online)

Для цитирования:

Морозов А. В., Ольховатов Д. В., Шаповалов В. Л., Кочур А. Г., Явна В. А. ИК спектры гидратированного CаSO4 в среднем инфракрасном диапазоне // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2023. Т. 23, вып. 3. С. 221-237. DOI: 10.18500/1817-3020-2023-23-3-221-237, EDN: DTJJSN

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Опубликована онлайн: 
29.09.2023
Полный текст в формате PDF(Ru):
скачать
(загрузок: 368)
Язык публикации: 
русский
Рубрика: 
Оптика и спектроскопия. Лазерная физика
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
539.194
DOI: 
10.18500/1817-3020-2023-23-3-221-237
EDN: 
DTJJSN

ИК спектры гидратированного CаSO4 в среднем инфракрасном диапазоне

Авторы: 
Морозов Андрей Владимирович, Ростовский государственный университет путей сообщения
Ольховатов Дмитрий Викторович, Ростовский государственный университет путей сообщения
Шаповалов Владимир Леонидович, Ростовский государственный университет путей сообщения
Кочур Андрей Григорьевич, Ростовский государственный университет путей сообщения
Явна Виктор Анатольевич, Ростовский государственный университет путей сообщения
Аннотация: 

Статья посвящена исследованию влияния влажности образцов алебастра (строительного гипса) на форму их ИК спектров в диапазоне волновых чисел 500–4000 см−1. Для этого экспериментальными методами нарушенного полного внутреннего отражения исследованы ИК спектры дистиллированной воды и образцов алебастра с влажностью 0, 26, 106, 132, 159, 185 и 212% при температуре 23°С. Методами, базирующимися на использовании теории функционала плотности с обменно-корреляционным потенциалом XLYP, рассчитаны волновые числа и интенсивности компонентов ИК спектров кластеров CaSO4(H2O)n для 0 < n < 16. С помощью гауссовых кривых с ширинами, оцененными из эксперимента, определены формы полос валентных колебаний воды. При расчете структуры CaSO4(H2O)n выполнена оптимизация положений атомов в различных структурных модификациях кластеров. В качестве критерия выбора оптимальной структуры кластера служило минимальное значение полной энергии, а для кластеров с большим числом атомов этот критерий применялся к изначально выбранному изомеру. На основе результатов расчетов объяснены трансформации измеренных спектров (изменения волновых чисел и интенсивностей) при изменении влажности образцов. Сравнение экспериментальных и теоретических спектров в диапазоне волновых чисел 3500–3900 см−1 позволило отнести исследованный порошок алебастра к совокупности кластеров разного размера: 2(CaSO4(H2O)0.5), 2(CaSO4(H2O)0.5 + 0.5H), 4(CaSO4(H2O)0.5), включая и кластер кристаллического гипса: 2(CaSO4(H2O)2). Достигнутое согласие в положении и форме экспериментальных и теоретических полос воды в спектрах образцов разной влажности обосновывает адекватность теоретического описания гидратации CaSO4.

Ключевые слова: 
ИК спектр
метод НПВО
гидратация CaSO4
кластерный метод
электронная и пространственная структуры
метод DFT
Благодарности: 
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 21-79-20005) (Повышение эксплуатационной надежности особо опасных и технически сложных транспортных грунтовых инженерных сооружений в процессе их жизненного цикла).
Список источников: 
  1. Pegau W. S., Gray D., Zaneveld J. R. V. Absorption and attenuation of visible and near-infrared light in water: Dependence on temperature and salinity. Applied Optics, 1997, vol. 36, iss. 24, pp. 6035–6046. https://doi.org/10.1364/AO.36.006035
  2. Max J.-J., Gessinger V., van Driessche C., Larouche P., Chapados C. Infrared spectroscopy of aqueous ionic salt solutions at low concentrations. J. Chem. Phys., 2007, vol. 126, iss. 18, article no. 184507. https://doi.org/10.1063/1.2717184
  3. Cheng-Wen Liu, Feng Wang, Lijiang Yang, Xin-Zheng Li, Wei-Jun Zheng, Yi Qin Gao. Stable salt-water cluster structures reflect the delicate competition between ion-water and water-water interactions. J. Phys. Chem. B, 2014, vol. 118, iss. 3, pp. 743–751. https://doi.org/10.1021/jp408439j
  4. Tandy J. D., Feng C., Boatwright A., Sarma G., Sadoon A. M., Shirley A., Rodrigues N. D., Cunningham E. M., Yang S., Ellis A. M. Communication: Infrared spectroscopy of salt-water complexes. J. Chem. Phys., 2016, vol. 144, article no. 121103. https://doi.org/10.1063/1.4945342
  5. Mizoguchi A., Ohshima Y., Endo Y. Microscopic hydration of the sodium chloride ion pair. J. Am. Chem. Soc., 2003, vol. 125, iss. 7, pp. 1716–1717. https://doi.org/10.1021/ja028522x
  6. Christian P. P., Mark S. G. Solvation of sodium chloride: An effective fragment study of NaCl(H2O)n. J. Phys. Chem. A, 1999, vol. 103, pp. 4162–4166. https://doi.org/10.1021/jp984806l
  7. Olleta A. C., Lee H. M., Kim K. S. Ab initio study of hydrated sodium halides NaX(H2O)(1–6) (X=F, Cl, Br, and I). J. Chem. Phys., 2006, vol. 124, iss. 2, article no. 024321. https://doi.org/10.1063/1.2147283
  8. Hou G. L., Liu C. W., Li R. Z., Xu H. G., Gao Y. Q., Zheng W. J. Emergence of solvent-separated Na+–Cl− ion pair in salt water: Photoelectron spectroscopy and theoretical calculations. J. Phys. Chem. Lett., 2017, vol. 8, iss. 1, pp. 13–20. https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.6b02670
  9. Wei Z. Y., Yang L. J., Gong S. Y., Xu H. G., Xu X. L., Gao Y. Q., Zheng W. J. Comparison of the microsolvation of CaX2 (X = F, Cl, Br, I) in water: Size-selected anion photoelectron spectroscopy and theoretical calculations. J. Phys. Chem. A., 2021, vol. 125, iss. 16, pp. 3288–3306. https://doi.org/10.1021/acs.jpca.1c00573
  10. Granovsky A. A. Firefly version 8. Available at: http://classic.chem.msu.su/gran/firefly/index.html (accessed October 3, 2022).
  11. Schmidt M. W., Baldridge K. K., Boatz J. A., Elbert S. T., Gordon M. S., Jensen J. H., Koseki S., Matsunaga N., Nguyen K. A., Su S., Windus T. L., Dupuis M., Montgomery J. A. General atomic and molecular electronic structure system. J. Comput. Chem., 1993, vol. 14, no. 11, pp. 1347–1363. https://doi.org/10.1002/jcc.540141112
  12. Bode B. M., Gordon M. S. MacMolPlt: A graphical user interface for GAMESS. J. Mol. Graph. Model., 1998, vol. 16, iss. 3, pp. 133–138. https://doi.org/10.1016/s1093-3263(99)00002-9
  13. Morozov A., Nazdracheva T., Kochur A., Yavna V. Manifestation of hydration of Na+ and Cl- ions in the IR spectra of NaCl aqueous solutions in the range of 2750–4000 cm−1 . Spectrochim. Acta A Mol. Biomol. Spectrosc., 2023, vol. 287 (Pt. 2), article no. 122119. https://doi.org/10.1016/j.saa.2022.122119
  14. Downs R. T., Hall-Wallace M. The American mineralogist crystal structure database. American Mineralogist, 2003, vol. 88, pp. 247–250.
  15. Darling B. T., Dennison D. M. The Water vapor molecule. Phys. Rev., 1940, vol. 57, pp. 128–139.
  16. Benedict W. S., Gailar N., Plyler E. K. Rotation-vibration spectra of deuterated water vapor. J. Chem. Phys., 1956, vol. 24, pp. 1139–1165. https://doi.org/10.1063/1.1742731
  17. Morozov A., Nazdracheva T., Kochur A., Yavna V. Effect of sodium chloride on the profiles of the IR spectrum bands of kaolinite at moistures under plastic limit. Crystals, 2022, vol. 12, iss. 9, article no. 1224. https://doi.org/10.3390/cryst12091224
  18. Brubach J. B., Mermet A., Filabozzi A., Gerschel A., Roy P. Signatures of the hydrogen bonding in the infrared bands of water. J. Chem. Phys., 2005, vol. 122, article no. 184509. https://doi.org/10.1063/1.1894929
Поступила в редакцию: 
13.02.2023
Принята к публикации: 
10.04.2023
Опубликована: 
29.09.2023
  • 589 просмотров